9.-金属基复合材料-1课件

1,9.金属基复合材料,2,青春依然，再见理想,“大学，你一定要做好准备再去读，你的大学生活一定要规划好，一定要知道自己的未来在哪里，自己想要做什么，自己喜欢做什么。”,-华科的姜新,“差距都是不知不觉间拉开的。”随着毕业的临近，姜新也越来越为浪费的光阴后悔。加上经常目睹旁人因为贪图玩乐和享受而荒废学业，深感痛心之下便萌发了写点东西告诫“后来人”的想法。,3,2013年5月初从旧金山出发，途经菲尼克斯、达拉斯和华盛顿特区，月初到达纽约肯尼迪国际机场。,平均飞行速度每小时70公里，最大飞行高度8500米。,世界最大太阳能飞机将自西向东横穿美国,“太阳驱动”号翼展63.4米，与空客A340飞机翼展相仿，但重量只有1600公斤，相当于一辆普通小汽车。该飞机主要由超轻蜂窝结构复合材料制成。,4,9.1金属,金属晶体（原子-离子金属键）,金属的优点：优良的延展性和可加工性。金属的缺点：强度相对低，耐热、耐磨、耐蚀性差，如铝。,5,目的：把金属基体优越的塑性和成形性与增强体的承受载荷能力及刚性结合起来。把金属基体的高热传导性与增强体低的热膨胀系数结合起来。,9.2金属基复合材料,复合后利用两者的优势互补，提高性能。,6,相对于传统的金属材料来说，具有较高的比强度与比刚度；而与树脂基复合材料相比，它又具有优良的导电性与耐热性；与陶瓷基材料相比，它又具有高韧性和高冲击性能。,金属基复合材料,7,金属基复合材料的例子可追溯到古文明时期。在土耳其发现的公元前7000年的铜锥子，它是经过反复拓平与锤打研制成的。在这个过程个，非金属夹杂物被拉长；弥散强化金属材料始于1924年，铝/氧化铝粉末烧结，得到金属基复合材料。金属基复合材料真正的起步是在20世纪50年代末或60年代初。美国国家航空和宇航局(NASA)成功地制备出钨丝增强的Cu基复合材料，成为金属基复合材料研究和开发的标志性起点。,9.3金属基复合材料的发展,8,随后，对纤维金属基复合材料的研究在20世纪60年代迅速发展起来。主要的力量集中在以钨和硼纤维增强的铝和铜为基体的复合体系。在这种复合材料里，基体的主要功能在于把载荷传递和分配给纤维。增强体的体积分数一般都很高(约40-80)，得出的轴向性能都很好，因而基体的组织与强度似乎是次要的。,9.3金属基复合材料的发展,9,关于连续纤维增强的复合材料的研究在70年代里有点滑坡，主要归咎干该材料的昂贵价格和受生产制造的限制。涡轮发动机的各个部件对于高温高效性材料的不断需求，触发了对金属基复合材科特别是钛基材料的广泛兴趣的复苏。由于金属基复合材料具有极高的比强度、比刚度，以及高温强度，首先在航空航天上得到应用，今后也将在航空航天领域占据重要位置。随后，在汽车、体育用品等领域也得到了应用，特别是晶须增强复合材料和颗粒增强复合材料在日本的民用领域得到较好的应用。,9.3金属基复合材料的发展,10,9.4金属基复合材料的制造工艺,金属,增强纤维,金属基复合材料是怎么得到的？,11,9.4金属基复合材料的制造工艺,9.4.1先驱（预制）丝（带、板）的制备9.4.2金属基复合材料制备工艺,12,9.4.1先驱（预制）丝（带、板）的制备,缠绕鼓(基体箔材)纤维定向定间距缠绕涂敷聚合物粘结剂定位。,(1)纤维/(基体箔材)聚合物粘结剂先驱(预制)带(板),13,(2)等离子喷涂纤维/基体箔材先驱（预制）带（板）,纤维定向定间距缠绕等离子喷涂基体粉末定位。,9.4.1先驱（预制）丝（带、板）的制备,14,(3)物理气相沉积法纤维/基体复合丝,采用物理气相沉积（PVD）手段将基体金属均匀沉积到纤维表面上，形成纤维/基体复合丝。,物理气相沉积是通过蒸发、电离或溅射等过程，产生金属粒子并与反应气体反应形成化合物沉积在工件表面。,9.4.1先驱（预制）丝（带、板）的制备,15,(4)粉末法纤维/基体复合丝,金属基体粉末与聚合物粘接剂混合制成基体粉末/聚合物粘接剂胶体；将纤维通过带有一定孔径的胶槽，在纤维表面均匀地涂敷上一层基体粉末胶体，干燥后形成一定直径的纤维/基体粉末复合丝。要求聚合物粘接剂在真空状态的低温下能够完全挥发。,粉末法纤维/基体复合丝示意图,9.4.1先驱（预制）丝（带、板）的制备,16,(5)熔池法纤维/基体复合丝,9.4.1先驱（预制）丝（带、板）的制备,17,这种复合丝制备方法主要是应用于碳纤维或石墨纤维增强铝基复合材料。由于碳纤维或石墨纤维与铝液接触会反应生成Al4C3界面生成物。过量的脆性相Al4C3生成会严重影响复合材料的性能。对纤维进行Ti-B或（液态）金属钠表面涂层处理可以增加纤维与铝液的润湿性，防止过量的脆性相Al4C3生成。,(5)熔池法纤维/基体复合丝,9.4.1先驱（预制）丝（带、板）的制备,18,1）固态法：真空热压扩散结合、超塑性成型/扩散结合、模压、热等静压、粉末冶金法。2）液态法：液态浸渗、真空压铸、反压铸造、半固态铸造。3）喷射成型法：等离子喷涂成型、喷射成型。4）原位生长法。,9.4.2金属基复合材料制备工艺,分类,19,（1）真空热压扩散结合,9.4.2金属基复合材料制备工艺固相法,扩散结合是在一定温度和压力下，把均匀排布的基体箔片或（复合）先驱丝通过基体金属表面原子的相互扩散而连接在一起。,压力应有下限，防止压力不足不能充分将金属扩散包围纤维而形成空洞缺陷。,20,9.4.2金属基复合材料制备工艺固相法,（2）模压成型（MoldForming）：将纤维/基体预制体放置在具有一定形状的模具中进行扩散结合，最终得到一定形状的最终制品。,21,（3）粉末冶金法,将金属或非金属粉末混合后压制成形，并在低于金属熔点的温度下进行烧结，利用粉末间原子扩散来使其结合的过程被称做粉末冶金工艺。,9.4.2.1金属基复合材料制备工艺固相法,22,（3）粉末冶金法,一、粉料制备与压制成型粉末混料均匀并加入适当的助剂，再进行压制成型，粉粒间的原子通过固相扩散和机械咬合作用，使制件结合为具有一定强度的整体。二、烧结将压制成型的制件放置在还原性气氛的闭式炉中进行烧结，烧结温度约为基体金属熔点的2/33/4倍。由于高温下不同种类原子的扩散，粉末表面氧化物的被还原以及变形粉末的再结晶，使粉末颗粒相互结合。,9.4.2金属基复合材料制备工艺固相法,23,粉末冶金工艺过程,24,粉末冶金技术的主要应用：,汽车动力系统：,25,汽车发动机用粉末烧结钢零件,26,汽车变速器系统用粉末烧结钢件,27,齿轮保持架(Ford),28,热压成型连杆,29,9.4.2金属基复合材料制备工艺固相法,固相法：是指基体处于固态制备金属基复合材料的方法。将金属粉末或金属箔与增强物(纤维、晶须、颗粒等)按设计要求以一定的含量、分布、方向混合排布在一起，再经加热、加压，将金属基体与增强物复合粘结在一起，形成复合材料。整个工艺过程处于较低的温度，金属基体与增强物均处于固体状态。由于温度较低，金属与增强物之间的界面反应不严重。,30,在压力的作用下，将液态或半液态金属以一定速度充填压铸模型腔或增强材料预制体的空隙中，在压力下快速凝固成型。主要工艺因素有熔融金属的温度、模具预热温度、压力和加压速度等。,(1)压铸法（SqueezeCasting）,9.4.2.2金属基复合材料制备工艺液态法,31,(2)半固态复合铸造（SemisolidSlurryCasting）,9.4.2.2金属基复合材料制备工艺液态法,将颗粒加入半固态的金属熔体中，然后将半固态复合材料注入模具进行压铸成型。金属熔体的温度控制在液相线和固相线之间，通过搅拌，使部分树枝状结晶体破碎成固态颗粒。当加入预热后的增强颗粒时，在搅拌中增强颗粒受到金属颗粒阻碍而滞留在半固态熔体中减少集结和偏聚，同时搅拌可促进颗粒与金属基体的接触和润湿。,32,(3)喷射成型法（Ospray，SprayCo-deposition）,喷射成型法示意图,9.4.2.2金属基复合材料制备工艺液态法,在高速惰性气体射流的作用下，液态金属形成“雾化锥”；同时通过一个或多个喷嘴向“雾化锥”喷射入增强颗粒，使之与金属雾化液滴一齐在一基板（收集器）上沉积并快速凝固形成颗粒增强金属基复合材料。,33,(4)无压浸渗法（Lanxide法）,无压浸渗法工艺原理示意图,9.4.2.2金属基复合材料制备工艺液态法,美国Lanxide公司开发的一种新工艺。将增强材料制成预制体，放置于由氧化铝制成的容器中。再将基体金属坯料置于增强材料预制体上部。然后一齐装入可通入流动氮气的加热炉中。通过加热，基体金属熔化，并自发浸渗入网络状增强材料预制体中。,34,将增强剂预制体放入同样形状的陶瓷槽中，铝合金坯料放在预制体上。在流动氮气的气氛下，加热至8001000C时，铝合金熔化并自发渗入预制体内，氮气与铝反应生成AlN。控制氮气流量、温度和渗透速度，可控制AlN的生成量。AlN起到提高复合材料刚度、降低热膨胀系数的作用，但强度较低。这是一个低成本的制备工艺。,以制备AlN/Al复合材料为例：,35,9.4.2.2金属基复合材料制备工艺液态法,液态法：是指基体金属处于熔融状态下与固态的增强材料复合在一起的方法。金属在熔融态流动性好，在一定的外界条件下容易进入增强物间隙中。液态法制造金属基复合材料时，制备温度高，易发生严重界面反应，有效控制界面反应，是液态法的关键。液态法可用来直接制造复合材料零件，也可用来制造复合丝、复合带、锭胚等作为二次加工成零件的原料。,36,增强相从基体中直接生成，生成相的热力学稳定性好，不存在基体与增强相之间的润湿和界面反应等问题，基体与增强相结合良好，较好的解决了界面相容性问题。,9.4.2.3金属基复合材料制备工艺原位生长法,原位（Insitu）生长（复合）法,37,从增强体角度看,金属基复合材料分为两大类纤维增强金属基复合材料颗粒、晶须增强金属基复合材料,38,纤维增强金属基复合材料金属的熔点高，故高强度纤维增强后的金属基复合材料（MMC）可以使用在较高温的工作环境之下。常用的基体金属材料有铝合金、钛合金和镁合金。,作为增强体的连续纤维主要有硼纤维、SiC和C纤维；Al2O3纤维通常以短纤维的形式用于金属基体中。,MMC的SEM照片,39,金属基粒子复合材料又称金属陶瓷，是由钛、镍、钴、铬等金属与碳化物、氮化物、氧化物、硼化物等组成的非均质材料。碳化物金属陶瓷作为工具材料已被广泛应用，称作硬质合金。硬质合金通常以Co、Ni作为粘结剂，WC、TiC等作为强化相。,颗粒、晶须增强金属基复合材料,40,硬质合金是指以一种或几种难熔碳化物（如碳化钨、碳化钛等）的粉末为主要成分，加入起粘结作用的金属钴等粉末，用粉末冶金法制得的材料。,硬质合金硬度极高，高于任何一种钢，且热硬性、耐磨性好，一般做成刀片，镶在刀体上使用。脆性大。,典型的金属基复合材料硬质合金,硬质合金的性能特点,41,常用硬质合金的分类与牌号,（1）钨钴类硬质合金：碳化钨和粘结剂钴，其牌号是由“YG”（“硬、钴”两字汉语拼音字首）和平均含钴量的百分数组成(YG8表示Co的质量分数为8%的钨钴类硬质合金)。（2）钨钛钴类硬质合金：碳化钨、碳化钛及粘结剂钴，其牌号由“YT”（“硬、钛”两字汉语拼音字首）和碳化钛平均含量组成(YT15表示TiC的质量分数为15%的钨钴钛类硬质合金),42,硬质合金刀具：,43,成型方法：压制烧结,44,44,连续增强相复合材料的制备工艺,铝合金固态、液态法碳纤维镁合金固态、液态法硼纤维钛合金固态法SiC纤维高温合金固态法氧化铝纤维金属间化合物固态法,45,45,不连续增强相复合材料的制备工艺,46,制备成型方法很多，但是存在的问题呢?,47,47,9.5金属基复合材料的制备难点,制备温度选择难度大；界面反应难以控制；金属基体与增强材料之间润湿性差，甚至在制备温度下完全不润湿；将增强材料按照设计要求、方向均匀分布于基体中比较困难。,48,48,9.5金属基复合材料的制备难点,金属基复合材料在高温制造时将发生严重的界面反应、氧化反应等有害的化学反应。关键：严格控制界面反应！金属基体为铝、镁、钛、钢、镍基合金、金属间化合物等金属材料，均具有较高的熔化温度，在高温下化学性质活泼，易与增强物发生界面反应。如：铝基复合材料，铝的熔点660，在600以上铝与碳(石墨)纤维、硼纤维、碳化硅等增强物均有不同程度的界面反应，对界面结构和性能有重大影响。,49,49,金属基体与增强物之间浸润性差，甚至不浸润。此为制备金属复合材料难点之一。对于多数体系，如碳(石墨)-铝、碳(石墨)-镁、碳化硅-铝、氧化铝-镁等复合材料的基体金属与增强物之间浸润性很差。金属需渗入到纤维束之间，一般为几微米的间隙中去，浸润性差是难以实现的。对于颗粒增强金属基复合材料，如浸润性差颗粒就不可能均匀的进入和分散在金属熔体中，因此采用液态金属复合法制备复合材料时，必须解决相互之间的浸润问题。,9.5金属基复合材料的制备难点,50,9.6金属基复合材料的界面和界面设计,1、金属基复合材料的界面,51,第一类界面（互不反应亦不溶解）：界面微观是平整的，而且只有分子层厚度。界面除了原组成物质外，基本不含其它物质。第二类界面（互不反应但相互溶解）：基体与增强相经过扩散渗透相互溶解而形成界面。这类界面往往在增强相周围，如纤维周围，形成溶解扩散层。第三类界面（反应性界面）：界面处有微米和亚微米级的界面反应物质层。有时并不是一个完整的界面层，而是在界面上存在着界面反应产物。,52,2、金属基复合材料的界面结合,在金属基复合材料中，需要在增强相和基体界面上建立一定的结合力。在不同的界面结合受载时，如结合太弱，纤维大量拔出，强度低；结合太强，纤维受损，材料脆断，既降低强度，又降低塑性。只有界面结合适中的复合材料才呈现高强度和高塑性。,53,金属基复合材料的界面结合形式,（1）机械结合：第一类界面。主要依靠增强剂的粗糙表面的机械“锚固”力结合。（2）浸润与溶解结合：第二类界面。如相互溶解严重，也可能发生溶解后析出现象，严重损伤增强剂，降低复合材料的性能。如采用熔浸法制备钨丝增强镍基高温合金复合材料以及碳纤维/镍基复合材料在600C下碳在镍中先溶解后析出的现象等。（3）化学反应结合：第三类界面。大多数金属基复合材料的基体与增强相之间的界面处存在着化学势梯度。只要存在着有利的动力学条件，就可能发生相互扩散和化学反应。,54,金属基复合材料的界面化学反应类型：,（1）连续界面化学反应：在制备过程的热处理和复合材料热使用过程，界面化学反应可连续进行。影响界面反应的主要因素是温度和时间。界面反应物的量（或界面层厚度）随温度和时间的变化发生变化。如碳纤维/铝基复合材料的界面层是因铝原子扩散进碳原子，造成碳纤维表面的刻蚀，形成Al4C3。在400C以下，Al4C3的量基本是稳定的；高于400C时，反应物量急剧增加。,55,（2）交换式反应：增强相与含两种以上元素的金属基体之间发生反应后，反应产物还会与其它基体元素发生交换反应，产生界面的不稳定。如硼纤维/Ti-8Al-1Mo-1V复合材料，首先是含铝的钛合金与硼反应：Ti（Al）+B（Ti、Al）B2；该反应产物可能与钛继续进行交换反应：（Ti、Al）B2+TiTiB2+Ti（Al）这样，界面反应物中的铝又会重新富集在基体合金一侧，甚至形成Ti3Al金属间化合物。,金属基复合材料的界面化学反应类型：,56,（3）暂稳态界面的变化一般是由于增强相表面局部氧化所造成的。如在硼铝复合材料中，硼纤维上吸附有氧，并生成不稳定的BO2。铝与氧的亲和力很强，在一定温度下可还原BO2生成Al2O3。在长期热效应的作用下，界面上的BO2会发生球化，影响复合材料的性能。金属基复合材料的化学反应结合是其主要结合方式。以上反应类型影响复合材料的界面稳定性。严格控制界面反应是一个重要的课题。,金属基复合材料的界面化学反应类型：,57,在金属基复合材料的结构设计中，应注意增强纤维与金属基体的物理相容性，即要求金属基体有足够的韧性和强度，以便能更好地通过界面将载荷传递给增强纤维；还要求在材料中出现裂纹和位错运动时，基体上产生的局部应力不在增强纤维上形成高应力。物理相容性中最重要的是要求纤维和基体的热膨胀系数匹配。如基体的韧性较强、热膨胀系数也较大，复合后容易产生